WO2022008325A1 - Device for determining the electrical resistance of a system, and associated method - Google Patents

Device for determining the electrical resistance of a system, and associated method Download PDF

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WO2022008325A1
WO2022008325A1 PCT/EP2021/068080 EP2021068080W WO2022008325A1 WO 2022008325 A1 WO2022008325 A1 WO 2022008325A1 EP 2021068080 W EP2021068080 W EP 2021068080W WO 2022008325 A1 WO2022008325 A1 WO 2022008325A1
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detector
emitter
electron
potential
electrons
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PCT/EP2021/068080
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Roger Morin
Alain Degiovanni
Laurent LAPENA
Evelyne SALANCON
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Centre National De La Recherche Scientifique
Universite D'aix-Marseille
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Abstract

The invention relates to a device (1) for determining the electrical resistance of a system (S), the device comprising: - a field effect electron emitter (10) suitable for emitting electrons when the electrical emission potential Ve of the electron emitter is higher than a threshold value VL, the emitting end of the emitter being at least partially conductive; - a piece of equipment (20) capable of determining the electrical emission potential Ve of the electron emitter; - a voltage source (40) designed to apply a potential difference E to the device (1) and generate an electric field at the emitter (10); - an electron detector (80) capable of detecting all or some of the electrons emitted by the electron emitter so as to measure the intensity of the current Imes flowing between the emitter and the detector; - electrical connection means (91, 92) designed to electrically connect the system (S) and the device (1) in such a way that the current intensity flowing between the emitter and the detector can also pass through the system.

Description

Description Description
Titre de l'invention: Dispositif de détermination de la résistance électrique d’un système et procédé associé Title of the invention: Device for determining the electrical resistance of a system and associated method
Domaine technique de l’invention Technical field of the invention
L’invention se situe dans le domaine de la mesure des variables électriques, plus précisément de la mesure de résistance électrique. The invention lies in the field of the measurement of electrical variables, more specifically the measurement of electrical resistance.
L’invention vise particulièrement la détermination de très grandes valeurs de résistance électrique. The invention is particularly aimed at determining very high electrical resistance values.
Etat de la technique State of the art
La mesure de très grandes valeurs de résistance électrique est un élément clé dans la fabrication de voltmètres à très haute impédance ou d'ampèremètres à très faible courant, ainsi que dans la caractérisation des matériaux isolants électriques et des dispositifs associés. The measurement of very large values of electrical resistance is a key element in the manufacture of very high impedance voltmeters or very low current ammeters, as well as in the characterization of electrical insulating materials and associated devices.
Un principe connu pour mesurer une grande valeur de résistance électrique d’un système consiste en l’application d’une haute tension au système dont on cherche à mesurer la résistance et en T utilisation d’un capteur de courant à effet Hall, telle une sonde ou pince ampérométrique, pour mesurer l’intensité et en déduire la résistance. Cependant, les dispositifs mettant en œuvre ce principe ne permettent pas de mesurer des valeurs de résistance plus grandes que 1010 ou 1011 Ohms et certains isolants électriques ne peuvent ainsi pas être caractérisés. A known principle for measuring a high electrical resistance value of a system consists of applying a high voltage to the system whose resistance is to be measured and using a Hall effect current sensor, such as a amperometric probe or clamp, to measure the intensity and deduce the resistance. However, the devices implementing this principle do not make it possible to measure resistance values greater than 10 10 or 10 11 Ohms and certain electrical insulators cannot therefore be characterized.
Il existe également un dispositif de type électromètre, permettant de réaliser des mesures de résistance jusqu’à 200 Tera Ohms (200 TW), soit 2.1014 Ohms. Cela est généralement utilisé pour des mesures d'isolement électrique. Dans ce type de dispositif, la mesure de très grandes résistances est directement liée à l’emploi d’une source stable de très faible courant. Un électromètre connu de la société Keithley® permet de mesurer lOfA (10 14 A) avec une sensibilité de lfA (10 15 A). There is also a device of the electrometer type, making it possible to carry out resistance measurements up to 200 Tera Ohms (200 TW), that is to say 2.10 14 Ohms. This is generally used for electrical insulation measurements. In this type of device, the measurement of very high resistances is directly linked to the use of a stable source of very low current. A known electrometer from the company Keithley® makes it possible to measure lfA (10 14 A) with a sensitivity of lfA (10 15 A).
Cependant, il est recherché un dispositif permettant de déterminer des valeurs de résistance au-delà de 200TW, pouvant atteindre 1022 W. Or, la limitation de la mesure d'une grande valeur de résistance est limitée par le bruit thermique, même pour un dispositif de type électromètre tel que décrit précédemment. However, a device is sought which makes it possible to determine resistance values beyond 200 TW, which can reach 10 22 W. However, the limitation of the measurement of a large resistance value is limited by the thermal noise, even for a device of the electrometer type as described previously.
L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur. The invention aims to overcome the aforementioned drawbacks of the prior art.
Plus particulièrement elle vise à réaliser un dispositif permettant de mesurer la résistance d’un système présentant une très grande valeur de résistance électrique, au-delà du Tera Ohm, voire au- delà de 1015 Ohms et pouvant atteindre 1022 Ohms. More particularly, it aims to produce a device making it possible to measure the resistance of a system having a very high value of electrical resistance, beyond the Tera Ohm, or even beyond 10 15 Ohms and possibly reaching 10 22 Ohms.
Expose de l’invention Disclosure of invention
Un premier objet de l’invention permettant de remédier à ces inconvénients est un dispositif de détermination de la résistance électrique d’un système, le dispositif comprenant : A first object of the invention making it possible to remedy these drawbacks is a device for determining the electrical resistance of a system, the device comprising:
- un émetteur d'électrons par effet de champ apte à émettre des électrons (générant ainsi un courant) lorsque le potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur d’électrons est supérieur à une valeur seuil VL ; - a field effect electron emitter capable of emitting electrons (thus generating a current) when the electric emission potential V e of the electron emitter is greater than a threshold value V L ;
- un équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur d’électrons;- equipment capable of determining the electric emission potential V e of the electron emitter;
- une source de tension adaptée pour appliquer au dispositif une différence de potentiel E et générer un champ électrique au niveau de l’émetteur ; - un détecteur d'électrons apte à détecter tout ou partie des électrons émis par l'émetteur d’électrons de manière à mesurer l’intensité du courant Imes circulant entre l’émetteur et le détecteur, et - A voltage source suitable for applying a potential difference E to the device and generating an electric field at the emitter; - an electron detector capable of detecting all or part of the electrons emitted by the electron emitter so as to measure the intensity of the current I mes flowing between the emitter and the detector, and
- des moyens de liaison électrique adaptés pour relier électriquement le système dont la résistance électrique est à déterminer et le dispositif, de telle manière que le courant circulant entre l’émetteur et le détecteur puisse traverser également ledit système. - electrical connection means suitable for electrically connecting the system whose electrical resistance is to be determined and the device, so that the current flowing between the emitter and the detector can also pass through said system.
Selon la présente invention, le potentiel électrique d’émission peut être désigné par raccourci « potentiel d’émission ». According to the present invention, the electric emission potential can be abbreviated as “emission potential”.
De manière générale, dans la présente invention, le terme « potentiel » désigne un potentiel électrique. Generally, in the present invention, the term “potential” designates an electric potential.
Le terme « système » dans la présente invention désigne tout composant, objet, appareil, présentant des bornes de raccordement électrique de type dipôle, et ayant une résistance électrique de très grande valeur. The term "system" in the present invention designates any component, object, device, having electrical connection terminals of the dipole type, and having an electrical resistance of very high value.
Un émetteur d’électrons à émission de champ (ou émission à froid) est une source d’électrons qui comprend un matériau émetteur dont la géométrie ou la conformation permet d’atteindre un champ électrique important lorsqu’il est soumis à un potentiel électrique. Sous l’effet d’un tel champ électrique, des électrons traversent par effet tunnel une barrière de potentiel depuis le niveau de Fermi, à température ambiante et sont émis par le matériau. L’application du champ électrique au matériau peut être combinée au chauffage du matériau, afin d’obtenir une émission Schottky, ce qui permet de réduire le potentiel électrique d’extraction des électrons. A field emission (or cold emission) electron emitter is a source of electrons which comprises an emitter material whose geometry or conformation makes it possible to achieve a large electric field when subjected to an electric potential. Under the effect of such an electric field, electrons tunnel through a potential barrier from the Fermi level, at room temperature, and are emitted by the material. The application of the electric field to the material can be combined with the heating of the material, in order to obtain a Schottky emission, which makes it possible to reduce the electric potential of extraction of the electrons.
L’extrémité du matériau émetteur doit être au moins partiellement conductrice. The end of the emitting material must be at least partially conductive.
Le matériau émetteur comprend généralement un fil conducteur (métallique ou semi-conducteur) dont une extrémité est taillée en pointe. Le matériau le plus courant est le tungstène. The transmitter material generally comprises a conductive wire (metal or semi-conductor) one end of which is sharpened. The most common material is tungsten.
Le matériau émetteur forme une cathode (généralement dénommée « cathode froide »). The emitter material forms a cathode (generally referred to as a "cold cathode").
Pour extraire les électrons depuis l’émetteur, le dispositif comprend un extracteur d’électron, l’extracteur étant disposé entre l’émetteur et le détecteur. L’extracteur d’électron comprend généralement une électrode d’extraction, formant anode, configurée pour générer un champ électrique lorsqu’on lui applique un potentiel électrique d’extraction. Ainsi, les électrons sont émis vers ladite électrode, et sont dirigés vers le détecteur. L’émetteur est polarisé négativement par rapport à l’extracteur. Par exemple, l’émetteur est polarisé négativement par rapport à l’électrode d’extraction qui est mise à la terre. To extract the electrons from the emitter, the device comprises an electron extractor, the extractor being placed between the emitter and the detector. The electron extractor generally comprises an extraction electrode, forming an anode, configured to generate an electric field when an electric extraction potential is applied to it. Thus, the electrons are emitted towards said electrode, and are directed towards the detector. The emitter is negatively biased with respect to the extractor. For example, the emitter is biased negative with respect to the extraction electrode which is grounded.
Alternativement à une électrode, l’extracteur peut comprendre une grille d’extraction formant anode.Alternatively to an electrode, the extractor can comprise an extraction grid forming an anode.
Par grille, on entend une électrode présentant une ou plusieurs ouvertures pour le passage des électrons. By grid is meant an electrode having one or more openings for the passage of electrons.
Selon un mode de réalisation, l’équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur d’électrons comprend un analyseur d’énergie. According to one embodiment, the equipment able to determine the electric emission potential V e of the electron emitter comprises an energy analyzer.
Selon un mode de réalisation, l’équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur d’électrons comprend : According to one embodiment, the equipment capable of determining the electric emission potential V e of the electron emitter comprises:
- une grille retardatrice disposée entre l’émetteur et le détecteur, en particulier entre l’extracteur et le détecteur, et - une source de tension retardatrice connectée à la grille retardatrice, et apte à appliquer à ladite grille retardatrice un potentiel retardateur N permettant de retarder et d’arrêter les électrons arrivant sur le détecteur. - a delay grid arranged between the emitter and the detector, in particular between the extractor and the detector, and - A delay voltage source connected to the delay gate, and capable of applying to said delay gate a delay potential N making it possible to delay and stop the electrons arriving at the detector.
Le détecteur d'électrons permet généralement de compter tout ou partie des électrons émis. Ainsi, un moyen de comptage des électrons est généralement associé au détecteur ou compris dans le détecteur. The electron detector generally makes it possible to count all or part of the electrons emitted. Thus, a means for counting electrons is generally associated with the detector or included in the detector.
Selon un mode de réalisation, le détecteur comprend un multiplicateur d'électrons, par exemple un channeltron ou encore une plaque à microcanaux. According to one embodiment, the detector comprises an electron multiplier, for example a channeltron or even a microchannel plate.
De préférence, le dispositif comprend une chambre à vide, de préférence à ultra- vide (c’est-à-dire entre 106 et 109 Pa), la chambre à vide étant apte à recevoir au moins l’émetteur d’électrons, tout ou partie de l’équipement pour déterminer le potentiel électrique d’émission, tout ou partie du détecteur d'électrons, et éventuellement tout ou partie de l’extracteur d’électrons. Cela peut être une chambre à vide classique (dans laquelle le vide est formé par une pompe à vide, voire à ultra-vide) ou une enceinte scellée renfermant un guetter ou sorbeur. Preferably, the device comprises a vacuum chamber, preferably at ultra-high vacuum (that is to say between 10 6 and 10 9 Pa), the vacuum chamber being capable of receiving at least the electron emitter , all or part of the equipment for determining the electric emission potential, all or part of the electron detector, and possibly all or part of the electron extractor. This can be a conventional vacuum chamber (in which the vacuum is formed by a vacuum pump, or even an ultra-high vacuum) or a sealed enclosure containing a getter or getter.
De préférence, le dispositif comprend en outre au moins une traversée électrique étanche, ladite traversée électrique étant adaptée pour relier électriquement de manière étanche l’intérieur et l’extérieur de la chambre à vide, et étant isolée électriquement, correspondant typiquement à une résistivité supérieure ou égale à 1018 Q.cm. Cela peut être typiquement une traversée en saphir.Preferably, the device further comprises at least one sealed electrical bushing, said electrical bushing being adapted to electrically connect the interior and exterior of the vacuum chamber in a sealed manner, and being electrically insulated, typically corresponding to a higher resistivity or equal to 10 18 Q.cm. This can typically be a sapphire via.
La traversée électrique permet de faire passer des liaisons notamment électriques entre le système à mesurer qui n’est pas disposé dans la chambre à vide et les éléments disposés dans la chambre à vide, et de manière plus générale entre les éléments disposés dans la chambre à vide et les éléments à l’extérieur de la chambre à vide. The electrical feedthrough makes it possible to pass in particular electrical connections between the system to be measured which is not arranged in the vacuum chamber and the elements arranged in the vacuum chamber, and more generally between the elements arranged in the vacuum chamber. vacuum and the elements outside the vacuum chamber.
Au moins un moyen de liaison électrique adapté pour relier électriquement le système et la chambre à vide, traverse ladite traversée étanche. At least one electrical connection means suitable for electrically connecting the system and the vacuum chamber passes through said sealed bushing.
Dans le cas de résistances élevées, les mesures de résistance peuvent être faussées par la circulation de courants de fuite qui cheminent à la surface du système à mesurer, par exemple au travers de l’humidité et/ou de contaminants superficiels dont la résistance est moins importante que celle du système. De façon à éliminer les courants de fuite, le dispositif de mesure comprend une garde apte à contenir le système à mesurer et/ou à être connecté au système à mesurer. Une garde est définie comme un moyen de protection configuré pour réduire le courant de fuite et/ou répartir le potentiel autour du système à mesurer. La garde peut être connectée électriquement au détecteur, de manière à permettre une mesure différentielle. In the case of high resistances, the resistance measurements can be falsified by the circulation of leakage currents which travel on the surface of the system to be measured, for example through humidity and/or surface contaminants whose resistance is less important than that of the system. In order to eliminate leakage currents, the measuring device comprises a guard able to contain the system to be measured and/or to be connected to the system to be measured. A guard is defined as a means of protection configured to reduce the leakage current and/or distribute the potential around the system to be measured. The guard can be electrically connected to the detector, so as to allow a differential measurement.
Un second objet de l’invention est un procédé de détermination de la résistance d’un système mettant en œuvre le dispositif selon l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : A second object of the invention is a method for determining the resistance of a system implementing the device according to the invention, the method comprising the following steps:
- une étape de connexion du système aux moyens de liaison électrique du dispositif ; - a step of connecting the system to the electrical connection means of the device;
- une étape d’émission d’électrons pour une valeur de différence de potentiel E appliquée au dispositif ; - an electron emission step for a potential difference value E applied to the device;
- une étape de mesure de l’intensité de courant Ie traversant le système, pour la valeur de différence de potentiel E, ladite étape de mesure comprenant la mesure de l’intensité du courant Imes circulant entre l’émetteur et le détecteur lorsque les électrons émis ne sont pas ralentis avant d’atteindre le détecteur, de sorte que le courant mesuré Imes par le détecteur corresponde au courant Ie traversant le système ; - a step of measuring the current intensity I e flowing through the system, for the potential difference value E, said measurement step comprising measuring the intensity of the current I mes flowing between the emitter and the detector when the emitted electrons are not slowed down before reaching the detector, so that the current I mes measured by the detector corresponds to the current I e flowing through the system;
- une étape de détermination du potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur d’électrons pour la valeur de différence de potentiel E ; - a step of determining the electrical emission potential V e of the electron emitter for the potential difference value E;
- une étape de calcul de la résistance Rs du système à mesurer donnée par l'équation
Figure imgf000006_0001
- a step for calculating the resistance Rs of the system to be measured given by the equation
Figure imgf000006_0001
Il est précisé que l’émission d’électrons est réalisée par l’émetteur d’électrons, que la mesure de l’intensité du courant circulant entre l’émetteur et le détecteur est permise par le détecteur, et que la détermination du potentiel électrique d’émission est permise par l’équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission de l’émetteur d’électrons. It is specified that the emission of electrons is carried out by the electron emitter, that the measurement of the intensity of the current circulating between the emitter and the detector is permitted by the detector, and that the determination of the electric potential emission is allowed by the equipment capable of determining the electric emission potential of the electron emitter.
Selon un mode de réalisation, l’étape de détermination du potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur comprend : According to one embodiment, the step of determining the electric emission potential V e of the emitter comprises:
- une étape d’application à l’équipement d’une valeur de potentiel retardateur limite NL suffisante pour arrêter les électrons arrivant sur le détecteur, de sorte que l’intensité mesurée Imes au niveau du détecteur diminue jusqu’à une valeur I0 (Io correspondant à la limite de détection), - a step of applying to the equipment a limit delay potential value N L sufficient to stop the electrons arriving at the detector, so that the intensity measured I mes at the level of the detector decreases to a value I 0 (Io corresponding to the detection limit),
- le potentiel électrique d’émission Ve recherché étant égal à la valeur du potentiel retardateur limite NL; l’étape de mesure de l’intensité du courant Ie étant réalisée pour un potentiel retardateur N nul.- the electrical emission potential V e sought being equal to the value of the limit retarding potential NL; the step of measuring the intensity of the current I e being carried out for a zero delay potential N.
Ce mode de réalisation est adapté pour un dispositif dont l’équipement apte à déterminer le potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur d’électrons comprend une grille retardatrice disposée entre l’émetteur et le détecteur, en particulier entre l’extracteur et le détecteur, et une source de tension retardatrice connectée à la grille retardatrice, et apte à appliquer à ladite grille retardatrice un potentiel retardateur N permettant de retarder et d’arrêter les électrons arrivant sur le détecteur. This embodiment is suitable for a device whose equipment capable of determining the electrical emission potential V e of the electron emitter comprises a delay grid arranged between the emitter and the detector, in particular between the extractor and the detector, and a delay voltage source connected to the delay gate, and capable of applying to said delay gate a delay potential N making it possible to delay and stop the electrons arriving at the detector.
Brève description des figures Brief description of figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard de la figure annexée : Other characteristics and advantages of the invention will become apparent with the aid of the description which follows, given by way of illustration and not limitation, given with regard to the appended figure:
[Fig.l] représente un exemple de dispositif de détermination de la résistance électrique selon l’invention. [Fig.l] represents an example of a device for determining the electrical resistance according to the invention.
Description détaillée de l’invention Detailed description of the invention
Dispositif de mesure Measuring device
La figure 1 représente un exemple de dispositif de détermination de la résistance électrique selon l’invention. FIG. 1 represents an example of a device for determining the electrical resistance according to the invention.
Le dispositif représenté comprend : The device represented comprises:
- un émetteur d'électrons 10 par effet de champ apte à émettre un courant d’électrons lorsque le potentiel électrique Ve de l’émetteur d’électrons est supérieur à une valeur seuil VL ; - A field effect electron emitter 10 capable of emitting a current of electrons when the electric potential V e of the electron emitter is greater than a threshold value V L ;
- un équipement 20 apte à déterminer le potentiel électrique Ve de l’émetteur d’électrons ; - Equipment 20 capable of determining the electric potential V e of the electron emitter;
- un extracteur d’électrons 30 ; - une source de tension 40 adaptée pour appliquer au dispositif une différence de potentiel E et générer un champ électrique au niveau de l’émetteur 10 ; - an electron extractor 30; - A voltage source 40 suitable for applying a potential difference E to the device and generating an electric field at the emitter 10;
- un détecteur d'électrons 80 apte à détecter tout ou partie des électrons émis par l'émetteur d’électrons et associé avec (ou comprenant) un compteur d’électrons 81 de manière à mesurer l’intensité du courant Imes circulant entre l’émetteur et le détecteur ; - an electron detector 80 capable of detecting all or part of the electrons emitted by the electron emitter and associated with (or comprising) an electron counter 81 so as to measure the intensity of the current I mes flowing between the emitter and detector;
- une chambre à vide 50 apte à recevoir au moins l’émetteur d’électrons 10, tout ou partie de l’équipement 20, de l’extracteur d’électrons 30 et du détecteur d'électrons 80 ; - a vacuum chamber 50 capable of receiving at least the electron emitter 10, all or part of the equipment 20, the electron extractor 30 and the electron detector 80;
- une garde 70 adaptée pour recevoir le système S à mesurer : la garde représentée est reliée électriquement au détecteur 80 et donc au compteur 81, permettant ainsi de réaliser une mesure différentielle ; - A guard 70 adapted to receive the system S to be measured: the guard shown is electrically connected to the detector 80 and therefore to the counter 81, thus making it possible to carry out a differential measurement;
- une traversée électrique 60 adaptée pour relier de manière étanche l’intérieur et l’extérieur de la chambre à vide 50. - an electrical crossing 60 suitable for sealingly connecting the interior and exterior of the vacuum chamber 50.
En outre, le système S dont la résistance électrique Rs est à déterminer et qui est placé hors de la chambre à vide dans l’environnement ambiant, est relié électriquement au dispositif par une première liaison électrique 91 entre une borne du système S et l’émetteur d’électrons 10, et une seconde liaison électrique 92 entre une autre borne du système S et le détecteur 80. Ainsi, le courant circulant entre l’émetteur et le détecteur peut traverser également ledit système. Les liaisons électriques peuvent être classiquement des câbles et/ou des connexions électriques. La première liaison électrique peut traverser la traversée électrique 60. In addition, the system S whose electrical resistance Rs is to be determined and which is placed outside the vacuum chamber in the ambient environment, is electrically connected to the device by a first electrical connection 91 between a terminal of the system S and the electron emitter 10, and a second electrical connection 92 between another terminal of the system S and the detector 80. Thus, the current flowing between the emitter and the detector can also pass through said system. The electrical connections may conventionally be cables and/or electrical connections. The first electrical connection can pass through the electrical bushing 60.
L’extrémité de l’émetteur 10 doit être au moins partiellement conductrice. The end of the emitter 10 must be at least partially conductive.
Le flux d’électrons a une énergie cinétique eVe, où e est la charge de l'électron. The flow of electrons has a kinetic energy eV e , where e is the charge of the electron.
La source de tension 40 doit être stable, de préférence présenter une stabilité de 103 (1 V pour 1000V). The voltage source 40 must be stable, preferably have a stability of 10 3 (1 V for 1000V).
Un émetteur d’électrons à émission de champ (ou émission à froid) est une source d’électrons qui comprend un matériau émetteur dont la géométrie ou la conformation permet d’atteindre un champ électrique important quand il est soumis à un potentiel électrique, le champ électrique étant de l’ordre de 1 V/mm. Sous l’effet d’un tel champ électrique, des électrons traversent par effet tunnel une barrière de potentiel depuis le niveau de Fermi, à température ambiante et sont émis par le matériau. L’application du champ électrique au matériau peut être combinée au chauffage du matériau, afin d’obtenir une émission Schottky, ce qui permet de réduire le potentiel électrique d’extraction des électrons. A field emission (or cold emission) electron emitter is a source of electrons which comprises an emitter material whose geometry or conformation makes it possible to reach a large electric field when it is subjected to an electric potential, the electric field being of the order of 1 V/mm. Under the effect of such an electric field, electrons tunnel through a potential barrier from the Fermi level, at room temperature, and are emitted by the material. The application of the electric field to the material can be combined with the heating of the material, in order to obtain a Schottky emission, which makes it possible to reduce the electric potential of extraction of the electrons.
Le matériau émetteur comprend généralement un fil conducteur (métallique ou semi-conducteur) dont une extrémité est taillée en pointe. Le matériau le plus courant est le tungstène. The transmitter material generally comprises a conductive wire (metal or semi-conductor) one end of which is sharpened. The most common material is tungsten.
Alternativement, le matériau émetteur peut comprendre un fil conducteur (par exemple un fil de carbone) dont une extrémité est taillée en pointe et un cristal en un matériau isolant, par exemple en céladonite, halloysite, hématite, déposé sur la pointe conductrice (sans la recouvrir entièrement de manière à ce que la pointe soit au moins partiellement conductrice). Le diamètre de la pointe peut être de 10 pm, voire de quelques pm. Les dimensions du cristal peuvent être de l’ordre du pm et son épaisseur d’une dizaine de nanomètres, par exemple 50 nm. Encore alternativement, le matériau émetteur peut comprendre un fil conducteur dont une extrémité est taillée en pointe, et la pointe usinée pour former un plateau. Un cristal en un matériau isolant est déposé sur le plateau (sans le recouvrir entièrement de manière à ce que la pointe soit au moins partiellement conductrice). Le plateau peut présenter un diamètre compris entre 5 et 50 pm voire une centaine de pm. Le cristal en un matériau isolant peut présenter une largeur (et/ou longueur) inférieure à 100 nm, de préférence comprise entre 10 et 100 nm, par exemple de 50 nm et une épaisseur inférieure ou égale à 50 nm, de préférence comprise entre 1 et 50 nm, par exemple de 10 nm. Le plateau peut présenter une rugosité, comparable à l’épaisseur du cristal, de sorte que le simple dépôt du cristal sur le plateau, combiné à la rugosité de ce dernier permet de former un assemblage conducteur / vide / isolant, dans lequel le vide est formé par les espaces entre les aspérités du plateau (conducteur) et le cristal (isolant). Alternatively, the emitter material may comprise a conductive wire (for example a carbon wire) one end of which is cut into a point and a crystal made of an insulating material, for example celadonite, halloysite, hematite, deposited on the conductive point (without the completely cover so that the tip is at least partially conductive). The diameter of the tip can be 10 μm, or even a few μm. The dimensions of the crystal can be of the order of a μm and its thickness of about ten nanometers, for example 50 nm. Still alternatively, the emitter material may comprise a conductive wire, one end of which is cut into a point, and the point machined to form a plate. A crystal made of an insulating material is placed on the plate (without covering it entirely so that the tip is at least partially conductive). The plate may have a diameter of between 5 and 50 μm or even a hundred μm. The crystal made of an insulating material may have a width (and/or length) of less than 100 nm, preferably between 10 and 100 nm, for example 50 nm, and a thickness less than or equal to 50 nm, preferably between 1 and 50 nm, for example 10 nm. The plate can have a roughness, comparable to the thickness of the crystal, so that the simple deposition of the crystal on the plate, combined with the roughness of the latter makes it possible to form a conductive / vacuum / insulating assembly, in which the vacuum is formed by the spaces between the asperities of the plate (conductor) and the crystal (insulator).
Le matériau émetteur forme une cathode (généralement dénommée « cathode froide »). The emitter material forms a cathode (generally referred to as a "cold cathode").
L’extracteur d’électrons 30 est adapté pour extraire les électrons depuis l’émetteur vers le détecteur. L’extracteur est illustré sous forme d’une grille d’extraction 31 formant une anode, et configurée pour générer un champ électrique lorsqu’on lui applique un potentiel électrique d’extraction. Ainsi les électrons sont émis vers ladite grille d’extraction et vers le détecteur. L’émetteur est polarisé négativement par rapport à l’extracteur et l’électrode d’extraction est mise à la terre T. The electron extractor 30 is adapted to extract the electrons from the emitter towards the detector. The extractor is illustrated in the form of an extraction grid 31 forming an anode, and configured to generate an electric field when an electric extraction potential is applied to it. Thus the electrons are emitted towards said extraction grid and towards the detector. The emitter is negatively biased with respect to the extractor and the extraction electrode is grounded T.
L’équipement 20 illustré comprend : Equipment 20 shown includes:
- une grille retardatrice 21 disposée entre l’émetteur 10 et le détecteur 80, et plus précisément entre la grille d’extraction 31 et le détecteur 80 ; - a delay grid 21 arranged between the emitter 10 and the detector 80, and more precisely between the extraction grid 31 and the detector 80;
- une source de tension retardatrice 22 connectée à la grille retardatrice, et apte à appliquer à ladite grille retardatrice un potentiel retardateur N permettant de retarder et d’arrêter les électrons arrivant sur le détecteur. - a delay voltage source 22 connected to the delay gate, and capable of applying to said delay gate a delay potential N making it possible to delay and stop the electrons arriving at the detector.
La source de tension retardatrice 22 doit être stable, de préférence présenter une stabilité de 103 (IV pour 1000V). The delay voltage source 22 must be stable, preferably have a stability of 10 3 (IV for 1000V).
L’équipement peut comprendre une ou plusieurs grilles retardatrices disposées l’une après l’autre sur le chemin des électrons issus de l’émetteur, lesdites grilles retardatrices étant disposées entre l’émetteur 10 et le détecteur 80, chaque grille retardatrice étant connectée à sa propre source de tension, pour permettre l'analyse en énergie des électrons, jusqu’à supprimer l'émission d'électrons secondaires en sortie de la série de grilles retardatrices. The equipment can comprise one or more delay grids arranged one after the other on the path of the electrons coming from the emitter, said delay grids being arranged between the emitter 10 and the detector 80, each delay grid being connected to its own voltage source, to allow the energy analysis of the electrons, until the emission of secondary electrons at the output of the series of delay gates is suppressed.
L’ensemble grille(s) retardatrice(s) et source(s) de tension retardatrice peut former un analyseur d’énergie des électrons à champ retardateur. The delay grid(s) and delay voltage source(s) can form a delay field electron energy analyzer.
Alternativement, un autre type d’analyseur d’énergie à champ retardateur (« Retarding field energy analyser » ou « RFEA » en anglais) peut être mis en œuvre. Alternatively, another type of energy analyzer with retarding field (“Retarding field energy analyzer” or “RFEA” in English) can be implemented.
Encore alternativement, un autre analyseur d’énergie peut être mis en œuvre. Par exemple, il peut s’agir d’un analyseur de secteur hémisphérique (HSA). Still alternatively, another energy analyzer can be implemented. For example, it can be a hemispherical sector analyzer (HSA).
Le détecteur d'électrons 80 permet généralement de compter tout ou partie des électrons émis. Ainsi, un moyen de comptage 81 des électrons est généralement associé au détecteur ou compris dans le détecteur. Le détecteur d'électrons 80 peut consister en (ou comprendre) un multiplicateur d'électrons. The electron detector 80 generally makes it possible to count all or part of the electrons emitted. Thus, a means 81 for counting electrons is generally associated with the detector or included in the detector. The electron detector 80 may consist of (or include) an electron multiplier.
Un multiplicateur d'électrons peut être formé en plaçant une plaque perforée ou poreuse, par exemple une plaque de verre au plomb, entre une électrode d'entrée et une électrode de sortie, et en fournissant un champ électrique continu entre les électrodes. Lorsque des électrons incidents frappent l'électrode d'entrée et entrent en collision avec les surfaces à l'intérieur de la plaque, des électrons, parfois appelés « électrons secondaires », sont produits. Les électrons secondaires sont accélérés par le champ électrique vers l'électrode de sortie et entrent en collision avec d'autres surfaces à l'intérieur de la plaque pour produire plus d'électrons secondaires, qui peuvent à leur tour produire plus d'électrons lorsqu'ils accélèrent à travers la plaque. En conséquence, une cascade d'électrons peut être produite lorsque les électrons secondaires accélèrent à travers la plaque et entrent en collision avec plus de surfaces, chaque collision pouvant augmenter le nombre d'électrons secondaires. Une impulsion électronique relativement forte peut être détectée au niveau de l’électrode de sortie. An electron multiplier can be formed by placing a perforated or porous plate, such as a lead glass plate, between an input electrode and an output electrode, and providing a DC electric field between the electrodes. When incident electrons strike the entrance electrode and collide with surfaces inside the plate, electrons, sometimes called "secondary electrons", are produced. Secondary electrons are accelerated by the electric field towards the exit electrode and collide with other surfaces inside the plate to produce more secondary electrons, which can in turn produce more electrons when they accelerate through the plate. As a result, a cascade of electrons can be produced as secondary electrons accelerate through the plate and collide with more surfaces, with each collision possibly increasing the number of secondary electrons. A relatively strong electronic pulse can be detected at the output electrode.
Le détecteur d'électrons 80 peut être une plaque à microcanaux (connue sous le terme « MCP » pour « MicroChannel Plate » en anglais), ou une double plaque à microcanaux. The electron detector 80 can be a microchannel plate (known under the term “MCP” for “MicroChannel Plate”), or a double microchannel plate.
Une plaque de microcanaux est un dispositif amplificateur de charge électrique comportant un réseau de microcanaux, par exemple des microcanaux cylindriques et creux. Chaque microcanal, qui peut servir de multiplicateur d'électrons indépendant, a une surface de paroi intérieure formée d'une couche conductrice et émettrice d'électrons. La plaque est polarisée par une tension de polarisation. Lorsque des électrons incidents pénètrent dans un microcanal, ils entrent en collision avec la surface de la paroi et provoquent l’émission de plusieurs électrons secondaires qui sont accélérés par la tension de polarisation. Les électrons émis vont à leur tour frapper la paroi et provoquer l'émission d'autres électrons, il y a donc amplification en cascade. A microchannel plate is an electrical charge amplifier device comprising a network of microchannels, for example cylindrical and hollow microchannels. Each microchannel, which can act as an independent electron multiplier, has an inner wall surface formed by a conductive and electron-emitting layer. The plate is biased by a bias voltage. When incident electrons enter a microchannel, they collide with the surface of the wall and cause the emission of several secondary electrons which are accelerated by the bias voltage. The emitted electrons will in turn strike the wall and cause the emission of other electrons, there is therefore cascade amplification.
Le détecteur d'électrons 80 peut être une plaque à microsphères (connue sous le terme « MSP » pour « MicroSphere Plate » en anglais), ou une double plaque à microsphères. The electron detector 80 can be a microsphere plate (known by the term “MSP” for “MicroSphere Plate”), or a double microsphere plate.
Une plaque à microsphères est un dispositif amplificateur de charge électrique comportant une plaque formée de sphères microscopiques qui ont des surfaces conductrices et émettrices d'électrons. Les sphères sont assemblées et liées ensemble, par exemple, par compression et frittage. La plaque est polarisée par une tension de polarisation. Lorsque des électrons incidents entrent en collision avec les surfaces des sphères, ils provoquent l’émission de plusieurs électrons secondaires qui sont accélérés par la tension de polarisation à travers les interstices définis par les sphères. Les électrons émis vont à leur tour frapper d’autres sphères et provoquer l'émission d'autres électrons, il y a donc amplification en cascade. A microsphere plate is an electrical charge amplifier device comprising a plate formed of microscopic spheres which have conductive and electron-emitting surfaces. The spheres are assembled and bonded together, for example, by compression and sintering. The plate is biased by a bias voltage. When incident electrons collide with the surfaces of the spheres, they cause the emission of several secondary electrons which are accelerated by the bias voltage across the interstices defined by the spheres. The emitted electrons will in turn hit other spheres and cause the emission of other electrons, so there is cascade amplification.
Alternativement, le détecteur peut être un multiplicateur d’électrons à dynodes discrètes. Alternatively, the detector can be a discrete dynode electron multiplier.
Préférentiellement, le détecteur est un multiplicateur d’électrons tubulaire ou « channeltron », parfois appelé en anglais « Channel PhotoMultiplier » ou « CPM ». Preferably, the detector is a tubular electron multiplier or “channeltron”, sometimes called in English “Channel PhotoMultiplier” or “CPM”.
Le détecteur est associé avec (ou comprend) un dispositif de comptage, par exemple une électronique de comptage 81. Une électronique de comptage d’électrons, par exemple en sortie d’un channeltron, est une électronique connue de l’homme du métier, qui permet généralement de faire de la discrimination de signal et qui fournit un signal 0-1 (TTL) en sortie pour pouvoir compter les coups. The detector is associated with (or comprises) a counting device, for example counting electronics 81. Electronic counting of electrons, for example at the output of a channeltron, is electronics known to those skilled in the art, which generally allows signal discrimination and which provides a 0-1 (TTL) signal at the output to be able to count the hits.
La chambre à vide 50 est de préférence une chambre à ultra-vide (c’est-à-dire entre 106 et 109 Pa), apte à recevoir au moins l’émetteur d’électrons 10, la grille retardatrice 21, la grille d’extraction 31 et le détecteur d'électrons 80. The vacuum chamber 50 is preferably an ultra-high vacuum chamber (that is to say between 10 6 and 10 9 Pa), capable of receiving at least the electron emitter 10, the delay grid 21, the extraction grid 31 and the electron detector 80.
L’électronique de comptage 81 est généralement disposée en dehors de la chambre à vide. The counting electronics 81 is generally placed outside the vacuum chamber.
La chambre à vide peut être construite à partir de composants métalliques à ultra-vide standards, reliés à une pompe à vide poussé (avec des joints métalliques pour assurer l’étanchéité). The vacuum chamber can be constructed from standard ultra-high vacuum metal components, connected to a high vacuum pump (with metal gaskets to ensure tightness).
Alternativement, la chambre à vide peut être formée par une enceinte scellée (par exemple un tube en verre) renfermant une pompe getter ou « piège à gaz ». Il est rappelé qu’une pompe getter est une pompe à fixation dans laquelle le gaz contenu dans l’enceinte est principalement fixé par combinaison chimique avec un sorbeur (« getter »), permettant de former un vide dans ladite enceinte. Le sorbeur est habituellement un métal ou un alliage métallique sous forme solide ou déposé en couches minces. Alternatively, the vacuum chamber can be formed by a sealed enclosure (for example a glass tube) containing a getter pump or “gas trap”. It is recalled that a getter pump is a fixed pump in which the gas contained in the enclosure is mainly fixed by chemical combination with a getter, making it possible to form a vacuum in said enclosure. The getter is usually a metal or metal alloy in solid form or deposited in thin layers.
La traversée électrique 60 permet de relier de manière étanche l’intérieur et l’extérieur de la chambre à vide. La traversée est isolée électriquement de manière à éviter les courants de fuite. De préférence, la résistivité de la traversée à 300K est au moins de 1018 W.ah. Il peut s’agir d’une traversée avec un isolant en céramique alumine (saphir), ou d’autres traversées connues dans le domaine de l’utra-vide. La première liaison électrique 91 passe à travers ladite traversée électrique étanche. The electrical crossing 60 makes it possible to connect the inside and the outside of the vacuum chamber in a sealed manner. The bushing is electrically insulated to prevent leakage currents. Preferably, the resistivity of the bushing at 300K is at least 10 18 W.ah. It may be a bushing with an alumina ceramic insulator (sapphire), or other bushings known in the field of ultra-high vacuum. The first electrical connection 91 passes through said sealed electrical bushing.
D’autres traversées électriques peuvent être prévues, notamment pour relier de manière étanche la grille retardatrice 21 et la source de tension retardatrice 22, ainsi que la grille d’extraction 31 et la terre T, ou encore le détecteur 80 aux moyens de comptage 81, également pour faire passer la seconde liaison électrique 92. Other electrical crossings may be provided, in particular to connect the delay gate 21 and the delay voltage source 22 in a sealed manner, as well as the extraction gate 31 and the ground T, or even the detector 80 to the counting means 81 , also to pass the second electrical connection 92.
Une traversée électrique permet notamment de relier électriquement le système à mesurer qui n’est pas disposé dans la chambre à vide et les éléments disposés dans la chambre à vide. An electrical bushing makes it possible in particular to electrically connect the system to be measured which is not placed in the vacuum chamber and the elements placed in the vacuum chamber.
Dans le cas de résistances élevées, les mesures de résistance peuvent être faussées par la circulation de courants de fuite qui cheminent à la surface du système à mesurer au travers de l’humidité et/ou de contaminants superficiels dont la résistance est moins importante que celle du système. De façon à éliminer les courants de fuite, le dispositif de mesure peut comprendre une garde 70 apte à contenir le système à mesurer et/ou à être connectée au système à mesurer. La garde forme une borne de raccordement. Elle est configurée pour réduire le courant de fuite et/ou répartir le potentiel autour du système à mesurer. La garde peut être formée par une cage électriquement conductrice (de type cage de Faraday) apte à contenir le système et reliée à une électrode de garde, le tout étant connecté électriquement au détecteur. La garde peut être formée par tout autre moyen permettant de connecter le système à mesurer à un système différentiel. In the case of high resistances, the resistance measurements can be falsified by the circulation of leakage currents which travel to the surface of the system to be measured through humidity and/or surface contaminants whose resistance is lower than that of the system. In order to eliminate leakage currents, the measuring device may comprise a guard 70 able to contain the system to be measured and/or to be connected to the system to be measured. The guard forms a connection terminal. It is configured to reduce the leakage current and/or distribute the potential around the system to be measured. The guard may be formed by an electrically conductive cage (of the Faraday cage type) capable of containing the system and connected to a guard electrode, the whole being electrically connected to the detector. The guard can be formed by any other means making it possible to connect the system to be measured to a differential system.
Procédé de détermination de la résistance du système On va maintenant décrire un procédé de mesure de la résistance d’un système qui peut être implémenté notamment avec le dispositif de mesure de la figure 1, et plus généralement avec un dispositif de mesure conforme à l’invention. Method for determining the resistance of the system A description will now be given of a method for measuring the resistance of a system which can be implemented in particular with the measuring device of FIG. 1, and more generally with a measuring device according to the invention.
Le procédé de mesure consiste à émettre des électrons et à déterminer le potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur d’électrons. Les électrons sont émis pour une valeur de différence de potentiel E permettant de générer un champ électrique au niveau de l’émetteur d’électrons. La valeur de différence de potentiel E doit être suffisante pour obtenir un taux de comptage des électrons significatif et générer un courant dont l’intensité Imes puisse être mesurée au niveau du détecteur. Lorsque le circuit entre le dispositif et le système à mesurer S est fermé, et que les électrons ne sont pas retardés entre l’émetteur et le détecteur, le courant Imes mesuré au niveau du détecteur est également le courant Ie qui traverse le système S. La mesure du courant Imes permet de calculer la valeur de la résistance électrique du système (S). The measurement method consists of emitting electrons and determining the electric emission potential V e of the electron emitter. The electrons are emitted for a potential difference value E making it possible to generate an electric field at the level of the electron emitter. The potential difference value E must be sufficient to obtain a significant electron counting rate and to generate a current whose intensity I me s can be measured at the level of the detector. When the circuit between the device and the system to be measured S is closed, and the electrons are not delayed between the emitter and the detector, the current I mes measured at the level of the detector is also the current I e which crosses the system S. Current measurement I mes is used to calculate the value of the electrical resistance of the system (S).
Initialement le potentiel retardateur N est réglé sur 0 volt. Initially the lag potential N is set to 0 volts.
On règle le gain du détecteur et la plage électronique de comptage afin de pouvoir mesurer une intensité de courant par comptage la plus basse possible. The gain of the detector and the electronic counting range are adjusted in order to be able to measure the lowest possible current intensity by counting.
On augmente la différence de potentiel jusqu'à la valeur E qui permet d’obtenir un taux de comptage significatif et donc une intensité de courant mesurée Imes significative. The potential difference is increased to the value E which makes it possible to obtain a significant counting rate and therefore a significant current intensity measured I mes .
Une première étape consiste à mesurer l’intensité du courant Imes grâce au détecteur d’électrons 80 associé à l’électronique de comptage 81, pour cette différence de potentiel E et ce, avec un potentiel retardateur N nul. A first step consists in measuring the intensity of the current I mes thanks to the electron detector 80 associated with the counting electronics 81, for this potential difference E and this, with a delay potential N of zero.
Dans ce cas, les électrons ne sont pas retardés et encore moins arrêtés et le courant Ie traversant le système est égal au courant mesuré Imes au niveau du détecteur. In this case, the electrons are not delayed and even less stopped and the current I e passing through the system is equal to the measured current I me s at the level of the detector.
Pour mesurer le potentiel d’émission Ve, la deuxième étape consiste à appliquer à l’équipement 20 (grille retardatrice 21 illustrée en figure 1) un potentiel retardateur NL suffisant (potentiel retardateur limite) pour retarder les électrons jusqu’à les arrêter. To measure the emission potential V e , the second step consists in applying to the equipment 20 ( delay grid 21 illustrated in FIG. 1) a sufficient delay potential N L (limit delay potential) to delay the electrons until they stop .
Sur le dispositif illustré en figure 1, on fait varier le potentiel retardateur N grâce à la source de tension retardatrice 22 de sorte que les électrons sont ralentis puis arrêtés. Ainsi un flux de moins en moins important d’électrons atteint le détecteur 80 et l’intensité mesurée Imes au niveau du détecteur diminue jusqu’à une valeur I0, Io correspondant à la limite de détection, pour N égal à NL. A cette valeur NL de potentiel retardateur, l’électronique de comptage 81 ne compte plus d’électrons. On the device illustrated in FIG. 1, the delay potential N is varied by means of the delay voltage source 22 so that the electrons are slowed down and then stopped. Thus, a decreasing flux of electrons reaches the detector 80 and the measured intensity I me s at the level of the detector decreases to a value I 0 , Io corresponding to the detection limit, for N equal to NL. At this delay potential value N L , the counting electronics 81 no longer count any electrons.
Cette valeur NL du potentiel retardateur mesure l'énergie cinétique divisée par la charge de l'électron pour les électrons émis par l'émetteur de champ, et est donc égal au potentiel d’émission recherché Ve-This value N L of the retarding potential measures the kinetic energy divided by the charge of the electron for the electrons emitted by the field emitter, and is therefore equal to the sought emission potential Ve-
La résistance Rs du système à mesurer est égale à la tension Vs aux bornes du système divisée par l’intensité du courant Ie qui le traverse. The resistance Rs of the system to be measured is equal to the voltage V s at the terminals of the system divided by the intensity of the current I e which crosses it.
La résistance Rs du système à mesurer S est donc donnée par l'équation: The resistance Rs of the system to be measured S is therefore given by the equation:
Math.1 Plage de résistance déterminée Math.1 Determined resistance range
Selon le détecteur d’électrons utilisé, le taux de comptage d'électrons à température ambiante se situe entre 1 c/s and 108 c/s, i.e. entre environ 10 19 et 10 11 A. Pour de telles valeurs de courant, les inventeurs ont déterminé qu’une valeur typique des potentiels d'émission Ve pour un émetteur de champ se situe entre 10 et 1000V. Depending on the electron detector used, the electron count rate at room temperature is between 1 c/s and 10 8 c/s, ie between about 10 19 and 10 11 A. For such current values, the inventors have determined that a typical value of the emission potentials V e for a field emitter is between 10 and 1000V.
L’équation Math.l montre que la détermination de la résistance du système Rs nécessite de déterminer (E - Ve). Cela signifie que E doit être significativement distinct de Ve. Par exemple E peut être sensiblement égal au double de Ve de sorte que (E - Ve) soit de l’ordre de Ve, i.e. entre 10 and 1000 V. Avec une telle base, la plage de mesure de la résistance Rs se situe entre 10 V/10 11 A et 1000V/10 19 A, c’est-à-dire entre 1012 et 1022 Ohms selon le détecteur d’électrons, l'émetteur de champ et l'électronique utilisés. The equation Math.l shows that the determination of the resistance of the system Rs requires determining (E - V e ). This means that E must be significantly distinct from V e . For example E can be substantially equal to twice V e so that (E - V e ) is of the order of V e , ie between 10 and 1000 V. With such a base, the measurement range of the resistance Rs lies between 10 V/10 11 A and 1000V/10 19 A, that is to say between 10 12 and 10 22 Ohms depending on the electron detector, the field emitter and the electronics used.
L'incertitude relative sur la résistance mesurée Rs est liée à l'incertitude relative sur E, Ve, E - Ve et celle sur Ie. La mesure de (E - Ve) peut dépendre de manière critique de la mesure du potentiel retardateur limite NL, qui détermine Ve. On peut favoriser la précision de mesure en utilisant une voire plusieurs méthodes parmi les suivantes : The relative uncertainty on the measured resistance Rs is linked to the relative uncertainty on E, V e , E - V e and that on I e . The measurement of (E - V e ) can critically depend on the measurement of the limit retarding potential NL, which determines V e . Measurement accuracy can be improved by using one or more of the following methods:
- augmenter la stabilité des sources de tension E et N ; - increase the stability of the voltage sources E and N;
- limiter la divergence du faisceau d'émission d'électrons ; - limit the divergence of the electron emission beam;
- rapprocher l’émetteur et le détecteur au mieux afin de pouvoir détecter le plus d’électrons émis (et améliorer la précision de mesure de l’intensité de courant au niveau du détecteur) ; - bring the emitter and the detector as close as possible in order to be able to detect the most electrons emitted (and improve the accuracy of measurement of the current intensity at the level of the detector);
- limiter les imperfections géométriques de la grille retardatrice ; - limit the geometric imperfections of the delay grid;
- tenir compte de l'efficacité de détection du détecteur ; - take into account the detection efficiency of the detector;
- utiliser une traversée à très haute impédance (par exemple en saphir dont la résistivité est supérieure ou égale à 1018 Ohm) ; - use a very high impedance crossing (for example in sapphire whose resistivity is greater than or equal to 10 18 Ohm);
- utiliser une structure de protection du système à mesurer (garde) adaptée pour limiter voire supprimer le courant de fuite. - use a protective structure for the system to be measured (guard) adapted to limit or even eliminate the leakage current.
Sauf indication contraire, les différents modes, exemples et variantes présentés peuvent être combinés entre eux. Unless otherwise indicated, the different modes, examples and variants presented can be combined with each other.
En outre, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tout mode de réalisation entrant dans la portée des revendications. Furthermore, the present invention is not limited to the embodiments described above but extends to any embodiment falling within the scope of the claims.
L’invention peut notamment trouver des applications dans : The invention may in particular find applications in:
- la caractérisation de matériaux isolants ; - the characterization of insulating materials;
- la mesure de grandes valeurs de résistance électrique ; - measurement of large electrical resistance values;
- la fabrication de voltmètres pour très haute impédance ; - the manufacture of voltmeters for very high impedance;
- la fabrication d'ampèremètres pour très faible courant. - the manufacture of ammeters for very low current.

Claims

Revendications Claims
1. Dispositif (1) de détermination de la résistance électrique d’un système (S), ledit dispositif comprenant : 1. Device (1) for determining the electrical resistance of a system (S), said device comprising:
- un émetteur d'électrons (10) par effet de champ apte à émettre des électrons lorsque le potentiel électrique d'émission Ve de l’émetteur d’électrons est supérieur à une valeur seuil VL, l’extrémité émettrice dudit émetteur étant au moins partiellement conductrice ; - an electron emitter (10) by field effect capable of emitting electrons when the electric emission potential V e of the electron emitter is greater than a threshold value VL, the emitting end of said emitter being at less partially conductive;
- un équipement (20) apte à déterminer le potentiel électrique d’émission Ve de l’émetteur d’électrons ; - equipment (20) capable of determining the electric emission potential V e of the electron emitter;
- une source de tension (40) adaptée pour appliquer au dispositif (1) une différence de potentiel E et générer un champ électrique au niveau de l’émetteur (10); - a voltage source (40) suitable for applying to the device (1) a potential difference E and generating an electric field at the emitter (10);
- un détecteur d'électrons (80) apte à détecter tout ou partie des électrons émis par l'émetteur d’électrons de manière à mesurer l’intensité du courant Imes circulant entre l’émetteur et le détecteur ; - an electron detector (80) capable of detecting all or part of the electrons emitted by the electron emitter so as to measure the intensity of the current I mes flowing between the emitter and the detector;
- des moyens de liaison électrique (91, 92) adaptés pour relier électriquement le système (S) et le dispositif (1) de telle manière que le courant circulant entre l’émetteur et le détecteur puisse traverser également ledit système. - electrical connection means (91, 92) adapted to electrically connect the system (S) and the device (1) in such a way that the current flowing between the emitter and the detector can also pass through said system.
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, comprenant en outre un extracteur d’électron (30) configuré pour extraire les électrons depuis l’émetteur (10) vers le détecteur d’électrons (80), l’extracteur étant disposé entre l’émetteur et le détecteur. A device (1) according to claim 1, further comprising an electron extractor (30) configured to extract electrons from the emitter (10) to the electron detector (80), the extractor being disposed between emitter and detector.
3. Dispositif (1) selon la revendication 2, l’extracteur d’électrons comprenant une électrode d’extraction ou une grille d’extraction (31) disposée entre l’émetteur (10) et le détecteur (80) et configurée pour générer un champ électrique lorsqu’on lui applique un potentiel électrique d’extraction. 3. Device (1) according to claim 2, the electron extractor comprising an extraction electrode or an extraction grid (31) arranged between the emitter (10) and the detector (80) and configured to generate an electric field when an electric extraction potential is applied to it.
4. Dispositif (1) selon la revendication 3, l’électrode d’extraction ou la grille d’extraction (31) étant reliée à une borne de terre (T). 4. Device (1) according to claim 3, the extraction electrode or the extraction grid (31) being connected to a ground terminal (T).
5. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’équipement (20) comprenant un analyseur d’énergie d’électrons. 5. Device (1) according to any one of the preceding claims, the equipment (20) comprising an electron energy analyzer.
6. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’équipement (20) comprenant : 6. Device (1) according to any one of the preceding claims, the equipment (20) comprising:
- une grille retardatrice (21) disposée entre l’émetteur (10) et le détecteur (80) et - a delay grid (21) arranged between the emitter (10) and the detector (80) and
- une source de tension retardatrice (22) connectée à ladite grille retardatrice, et apte à appliquer à ladite grille retardatrice un potentiel retardateur N permettant de retarder et d’arrêter les électrons arrivant sur le détecteur (80). - a delay voltage source (22) connected to said delay gate, and able to apply to said delay gate a delay potential N making it possible to delay and stop the electrons arriving at the detector (80).
7. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le détecteur (80) comprenant un multiplicateur d'électrons, par exemple un channeltron, ou encore une plaque à microcanaux. 7. Device (1) according to any one of the preceding claims, the detector (80) comprising an electron multiplier, for example a channeltron, or even a microchannel plate.
8. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un moyen de comptage (81) des électrons associé au, ou compris dans le, détecteur (80).8. Device (1) according to any one of the preceding claims, further comprising an electron counting means (81) associated with, or included in, the detector (80).
9. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une chambre à vide (50) apte à recevoir au moins l’émetteur d’électrons (10), tout ou partie de l’équipement (20), tout ou partie du détecteur d'électrons (80), et éventuellement tout ou partie de l’extracteur d’électrons (30). 9. Device (1) according to any one of the preceding claims, further comprising a vacuum chamber (50) capable of receiving at least the electron emitter (10), all or part equipment (20), all or part of the electron detector (80), and possibly all or part of the electron extractor (30).
10. Dispositif (1) selon la revendication 9, comprenant en outre une traversée étanche (60), ladite traversée électrique étant adaptée pour relier électriquement de manière étanche l’intérieur et l’extérieur de la chambre à vide (50) et étant isolée électriquement, au moins un moyen de liaison électrique (91) traversant ladite traversée étanche. 10. Device (1) according to claim 9, further comprising a sealed bushing (60), said electrical bushing being adapted to electrically connect in a sealed manner the interior and the exterior of the vacuum chamber (50) and being insulated electrically, at least one electrical connection means (91) passing through said sealed bushing.
11. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une garde (70), le système à mesurer (S) étant connecté à, et/ou disposé dans, ladite garde, la garde étant configurée pour réduire le courant de fuite et/ou répartir le potentiel autour du système à mesurer, la garde pouvant être connectée électriquement au détecteur de manière à permettre une mesure différentielle. 11. Device (1) according to any one of the preceding claims, further comprising a guard (70), the system to be measured (S) being connected to, and/or disposed in, said guard, the guard being configured to reduce the leakage current and/or distribute the potential around the system to be measured, the guard being able to be electrically connected to the detector so as to allow a differential measurement.
12. Procédé de détermination de la résistance d’un système (S) mettant en œuvre le dispositif selon l’une des revendications 1 à 11, le procédé comprenant les étapes suivantes : 12. Method for determining the resistance of a system (S) implementing the device according to one of claims 1 to 11, the method comprising the following steps:
- une étape de connexion du système (S) aux moyens de liaison électrique (91, 92) du dispositif ; - a step of connecting the system (S) to the electrical connection means (91, 92) of the device;
- une étape d’émission d’électrons pour une valeur de différence de potentiel E appliquée aux bornes du dispositif ; - an electron emission step for a potential difference value E applied to the terminals of the device;
- une étape de mesure de l’intensité de courant Ie traversant le système (S), pour la valeur de différence de potentiel E, ladite étape de mesure comprenant la mesure de l’intensité du courant Imes circulant entre l’émetteur et le détecteur lorsque les électrons émis ne sont pas ralentis avant d’atteindre le détecteur, de sorte que le courant mesuré Imes corresponde au courant Ie traversant le système ; - a step for measuring the current intensity I e flowing through the system (S), for the potential difference value E, said measurement step comprising measuring the intensity of the current I mes flowing between the emitter and the detector when the emitted electrons are not slowed down before reaching the detector, so that the measured current I mes corresponds to the current I e passing through the system;
- une étape de détermination du potentiel électrique d'émission Ve des électrons émis pour la valeur de différence de potentiel E ; - a step of determining the electric emission potential V e of the electrons emitted for the potential difference value E;
- une étape de calcul de la résistance Rs du système à mesurer (S) donnée par l'équation
Figure imgf000014_0001
- a step for calculating the resistance Rs of the system to be measured (S) given by the equation
Figure imgf000014_0001
13. Procédé de détermination selon la revendication 12, mettant en œuvre le dispositif selon la revendication 6 ou l’une des revendications 7 à 11 en combinaison avec la revendication 6, l’étape de détermination de la tension d'émission Ve comprenant : 13. Determination method according to claim 12, implementing the device according to claim 6 or one of claims 7 to 11 in combination with claim 6, the step of determining the emission voltage V e comprising:
- une étape d’application à l’équipement (20) d’une valeur de potentiel retardateur NL suffisante pour arrêter les électrons arrivant sur le détecteur, de sorte que l’intensité mesurée Imes au niveau du détecteur (80) diminue jusqu’à une valeur I0, correspondant à la limite de détection du détecteur, - a step of applying to the equipment (20) a delay potential value N L sufficient to stop the electrons arriving at the detector, so that the measured intensity I mes at the level of the detector (80) decreases to 'to a value I 0 , corresponding to the detection limit of the detector,
- le potentiel électrique d’émission recherché Ve étant égal à la valeur de potentiel retardateur limite NL ; l’étape de mesure du courant Ie étant réalisée pour un potentiel retardateur N nul. the desired emission electric potential V e being equal to the limit retarding potential value N L ; the step of measuring the current I e being carried out for a zero delay potential N.
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3315157A (en) * 1963-07-22 1967-04-18 Hitachi Ltd Apparatus for impedance measurement through the use of electron beam probes
US4460866A (en) * 1980-09-29 1984-07-17 Siemens Aktiengesellschaft Method for measuring resistances and capacitances of electronic components
EP0661725A1 (en) * 1993-12-28 1995-07-05 Canon Kabushiki Kaisha Electron beam apparatus and image-forming apparatus
EP0915493A1 (en) * 1994-08-29 1999-05-12 Canon Kabushiki Kaisha Method of manufacturing an electron-emitting device
JP2000251646A (en) * 1999-02-26 2000-09-14 Canon Inc Electron emission element, electron source using the electron emission element and image forming device using the electron source
US6306001B1 (en) * 1998-05-01 2001-10-23 Canon Kabushiki Kaisha Methods for producing electron-emitting device, electron source, and image-forming apparatus
US20030057971A1 (en) * 2001-09-27 2003-03-27 Hidetoshi Nishiyama Inspection method using a charged particle beam and inspection device based thereon
US20030204826A1 (en) * 2000-02-22 2003-10-30 Hitachi, Ltd. Inspection method and inspection system using charged particle beam
US20050163517A1 (en) * 2003-12-04 2005-07-28 Hiroyuki Suhara Method and device for measuring surface potential distribution, method and device for measuring insulation resistance, electrostatic latent image measurement device, and charging device
US20090101816A1 (en) * 2003-04-22 2009-04-23 Ebara Corporation Testing apparatus using charged particles and device manufacturing method using the testing apparatus
US20170236683A1 (en) * 2015-06-15 2017-08-17 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Particle beam apparatus and method for operating a particle beam apparatus
US20190244783A1 (en) * 2018-02-08 2019-08-08 Hitachi High-Technologies Corporation Inspection system, image processing device and inspection method

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3315157A (en) * 1963-07-22 1967-04-18 Hitachi Ltd Apparatus for impedance measurement through the use of electron beam probes
US4460866A (en) * 1980-09-29 1984-07-17 Siemens Aktiengesellschaft Method for measuring resistances and capacitances of electronic components
EP0661725A1 (en) * 1993-12-28 1995-07-05 Canon Kabushiki Kaisha Electron beam apparatus and image-forming apparatus
EP0915493A1 (en) * 1994-08-29 1999-05-12 Canon Kabushiki Kaisha Method of manufacturing an electron-emitting device
US6306001B1 (en) * 1998-05-01 2001-10-23 Canon Kabushiki Kaisha Methods for producing electron-emitting device, electron source, and image-forming apparatus
JP2000251646A (en) * 1999-02-26 2000-09-14 Canon Inc Electron emission element, electron source using the electron emission element and image forming device using the electron source
US20030204826A1 (en) * 2000-02-22 2003-10-30 Hitachi, Ltd. Inspection method and inspection system using charged particle beam
US20030057971A1 (en) * 2001-09-27 2003-03-27 Hidetoshi Nishiyama Inspection method using a charged particle beam and inspection device based thereon
US20090101816A1 (en) * 2003-04-22 2009-04-23 Ebara Corporation Testing apparatus using charged particles and device manufacturing method using the testing apparatus
US20050163517A1 (en) * 2003-12-04 2005-07-28 Hiroyuki Suhara Method and device for measuring surface potential distribution, method and device for measuring insulation resistance, electrostatic latent image measurement device, and charging device
US20170236683A1 (en) * 2015-06-15 2017-08-17 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Particle beam apparatus and method for operating a particle beam apparatus
US20190244783A1 (en) * 2018-02-08 2019-08-08 Hitachi High-Technologies Corporation Inspection system, image processing device and inspection method

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